DOHMEN, Philipp (Ferdinand-Hodler-Strasse 22, Zürich, CH-8049, CH)
ZIETA, Oskar (Ferdinand-Hodler-Strasse 16, Zürich, CH-8049, CH)
DOHMEN, Philipp (Ferdinand-Hodler-Strasse 22, Zürich, CH-8049, CH)
| Patentansprüche 1. Vorrichtung (6) zur Verstärkung einer Struktur (7), umfassend ein Strukturelement (61 ) mit mindestens einem Hohlraum (13), welcher druckdicht verschlossen ist oder ver- schliessbar ist, und einem Druckgenerator (4), mit welchem vorübergehend oder kontinuierlich ein Überdruck innerhalb des mindestens einen Hohlraums (13) des Strukturelements (61 ) erzeugbar ist. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement (61) aus zwei oder mehr Blechelementen (2, 2') besteht, die entlang mindestens eines Teils ihrer Konturen (21 ) zusammengefügt sind, beispielsweise durch Schweissen oder Kleben, so dass sich der mindestens eine Hohlraum (13) bildet. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement (61 ) durch Aufblasen des geschlossenen Hohlraums (13) vorgeformt ist. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckgenerator (4) eine chemische Treibladung ist. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im mindestens einem Hohlraum (13) eine Sollbruchstelle oder ein Überdruckventil vorgesehen ist. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Steuervor- richtung (5), mit welcher Zustände innerhalb und/oder ausserhalb der Vorrichtung (6) messbar (51 ) sind, und mit welcher der Druckgenerator (4) ansteuerbar ist. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (5) mit einer externen Steuereinrichtung verbindbar ist. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Hohlraum (13) mit einem geschäumten Material ausgefüllt ist, ins- besondere Polyurethanschaum, Schaumbeton, oder Aluminiumschaum. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, gekennzeichnet durch mindestens ein Begrenzungselement, das mit mindestens einem der Blechelemente (2, 2') des Strukturelements (61 ) form- und/oder kraftschlüssig verbunden ist, und welches geeignet ist, bei einem Aufblasen des Strukturelements (61 ) zu einer dreidimensionalen Leit- planken-Vorrichtung (1 ) die Umformung eines oder mehrerer der Blechelemente (2, 2') in vorbestimmter Weise zu begrenzen. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Begrenzungselement innerhalb eines Hohlraums (13) des Strukturelements (61 ) angeordnet ist. 1 1. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Begren- zungselement ein auf einem Blechelement (2, 2') angeordneter Steg oder eine auf einem Blechelement (2, 2') angebrachte Sicke ist. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (6) in einer Fa h rzeugka rosse rie (7) angeordnet ist, insbesondere in einer Fahrzeugtüre, einer Fahrzeugsäule, oder dem Dach. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (6) in einer Leitplanken-Vorrichtung (1 ) angeordnet ist. 14. Fahrzeugkarrosserie oder Fahrzeugkarrosserieteil mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1. 15. Leitplanken-Vorrichtung (1 ), umfassend ein Strukturelement (61 ) mit zwei oder mehr Blechelementen (2, 2'), die entlang mindestens eines Teils ihrer Konturen (21 ) zu- sammengefügt sind, beispielsweise durch Schweissen oder Kleben, so dass sich mindestens ein Hohlraum (13) bildet, welcher druckdicht verschlossen ist oder ver- schliessbar ist, wobei das Strukturelement (61 ) durch Aufblasen des Hohlraums (13) des Strukturelements (61 ) umgeformt ist. 16. Leitplanken-Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass sich der mindestens eine Hohlraum (13) entlang einer Längsachse (16) des Strukturelements (61 ) erstreckt. 17. Leitplanken-Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 1 6, gekennzeichnet durch einen Anschluss für die Zuleitung eines Druckmediums (3) in den mindestens einen Hohlraum (1 3). 18. Leitplanken-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, gekennzeichnet durch mindestens ein Begrenzungselement, das mit mindestens einem der Blechelemente (2, 2') form- und/oder kraftschlüssig verbunden ist, und welches geeignet ist, bei einem Aufblasen des Strukturelements (61 ) die Umformung eines oder mehrerer der Blechelemente (2, 2') in vorbestimmter Weise zu begrenzen. 19. Leitplanken-Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Begrenzungselement innerhalb eines Hohlraums (13) angeordnet ist. 20. Leitplanken-Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein Begrenzungselement ein auf einem Blechelement (2, 2') angeordneter Steg oder eine auf einem Blechelement (2, 2') angebrachte Sicke ist. 21. Leitplanken-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20„ dadurch gekenn- zeichnet, dass der mindestens eine Hohlraum (13) mit einem geschäumten Material ausgefüllt ist, insbesondere Polyurethanschaum, Schaumbeton, oder Aluminiumschaum. 22. Leitplanken-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21 „ gekennzeichnet durch einen Druckgenerator (4), mit welchem vorübergehend oder kontinuierlich ein Über- druck innerhalb eines geschlossenen Hohlraums (13) des Strukturelements (61 ) erzeugbar ist. 23. Leitplanken-Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckgenerator (4) eine chemische Treibladung ist. 24. Leitplanken-Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23„ gekennzeichnet durch eine Steu- ervorrichtung (5), mit welcher Zustände innerhalb und/oder ausserhalb der Leitplanken-Vorrichtung (1 ) messbar sind, und mit welcher der Druckgenerator (4) ansteuerbar ist. 25. Leitplanken-Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (5) mit einer externen Steuereinrichtung verbindbar ist. 26. Leitplanken-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 25„ dadurch gekennzeichnet, dass in einem Hohlraum (13) des Strukturelements (61 ) eine Sollbruchstelle oder ein Überdruckventil vorgesehen ist. 27. Leitplanken-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 26, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Aufprallschürze zum Schutz des mindestens einen Hohlraums (13) des Strukturelements (61 ). 28. Leitplanken-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 27, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Strukturverstärkung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1. |
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Verstärkung einer Struktur und Leitplanken- Vorrichtungen.
Stand der Technik
Blech ist ein sehr vielseitig verwendbarer Werkstoff, der aufgrund seiner plastischen Verformbarkeit aus einer einfachen flächigen Grundform in komplexe dreidimensionale Blech- Strukturen umgeformt werden kann. Solche Strukturelemente können bei relativ geringem Gewicht eine hohe Steifigkeit und Festigkeit aufweisen, und werden deshalb häufig eingesetzt, wenn das Gewicht ein wichtiger Faktor ist, beispielsweise im Fahrzeugbau und Leichtbau.
Im Fahrzeugbau werden geformte Blechteile als Strukturelemente verwendet, um bei mög- liehst geringem Gewicht eine möglichst hohe Festigkeit zu erreichen. Bei gewissen Bauteilen einer Fa h rzeugka rosse rie sind den mit Blech erreichbaren Festigkeiten jedoch Grenzen gesetzt. Beispielsweise ist es für Fahrzeugtüren wünschenswert, dass diese beim direkten Aufprall eines anderen Fahrzeugs den direkt daneben befindlichen Fahrzeuginsassen so gut wie möglich vor dem Aufprall schützen. Zu diesem Zweck darf sich die Türe im betreffenden Be- reich nur in geringem Masse verformen, was mit speziellen massiven Versteifungselementen erreicht werden kann. Leitplanken-Systeme für den Strassenbau, insbesondere für Autobahnen, werden aus Kostengründen ebenfalls sehr häufig aus geformten Blechen aufgebaut, um bei einem Minimum an Gewicht und Materialverbrauch ein Maximum an mechanischer Stabilität zu erreichen. Figur 1 zeigt ein Beispiel einer solchen herkömmlichen Leitplanken-Vorrichtung 1 , be- stehend aus zwei einzelnen umgeformten Blechen 2, welche gegengleich an einem Träger 17 befestigt sind. Die beiden Blechelemente 2, 2' können, müssen aber nicht, miteinander verbunden sein. Aufgrund der sehr hohen benötigten Laufmeterzahlen und der entsprechend niedrigen akzeptablen Herstellungspreise solcher Leitplanken werden diese vorzugsweise in einem effizienten Endlosverfahren hergestellt, beispielsweise durch Formwalzen eines Endlochbleches.
Für die Umformung von flächigen, plastisch verformbaren Werkstoffen wie Blech sind weitere Verfahren bekannt, wie beispielsweise das Tiefziehen mit Stempel und Matrize. Für speziellere Formgebungen können andere Verfahren eingesetzt werden, so zum Beispiel Hochdruck-Blechumformung, auch bekannt als Hydroforming, bei der im Vergleich zum herkömm- liehen Tiefziehen der Stempel durch ein direkt auf das Werkstück wirkendes Druckmedium ersetzt wird. Ein anderes Verfahren ist das hydromechanische Tiefziehen, bei dem die Matrize durch einen mit Druckmedium gefüllten, druckregulierten Hohlraum ersetzt wird. Der für die Umformung benötigte Mediendruck hängt unter anderem von der Geometrie des Bauteils, der Blechdicke und dem verwendeten Werkstoff ab, und kann von 5 MPa (Aluminium- blech) bis 200 MPa (Edelstahlblech) reichen. Solche Drücke können nur hydraulisch erzeugt werden, und erfordern aufwendige, teure Werkzeuge.
Für die Herstellung von komplexen Hohlstrukturen aus Blech wird das Innen-Hochdruck- Verfahren angewandt, eine Variante der Hochdruck-Blechumformung, bei der das druckbeaufschlagte Medium in einen druckdicht abgeschlossenen Innenraum eines röhrenförmigen Blechrohlings eingebracht wird, das in einem eine äussere Matrize bildenden Werkzeug angeordnet ist. Ein solches Verfahren ist beispielsweise beschrieben in WO 00/10748 Al und WO 2006/018846 Al . Die notwendigen Drücke sind ähnlich wie beim konventionellen Hochdruck-Blechumformen, Anstelle eines röhrenförmigen Blechrohlings können auch zwei flächig aufeinander gelegte Bleche verwendet werden.
Den bekannten Verfahren eigen sind die sehr hohen Arbeitsdrücke, welche bis 200 MPa (2000 bar) betragen können. Bei solchen Drücken werden die formgebenden Werkzeuge stark belastet. Deren Anfertigung und Betrieb ist zudem aufwendig und teuer, und die Grös- se der herstellbaren Bauteile begrenzt.
Aufgabe der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine vorteilhafte Vorrichtung zur Verstärkung einer Struktur bereitzustellen, insbesondere für die Verstärkung von Teilen einer Fa h rzeugka rosse rie wie beispielsweise einer Fahrzeugtüre.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine vorteilhafte Leitplanken-Vorrichtungen zur Verfügung zu stellen, welche insbesondere kostengünstig herstellbar ist.
Diese und andere Aufgaben werden gelöst durch eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Verstärkung einer Struktur, eine Fahrzeugkarrosserie mit einer solchen Vorrichtung und eine erfindungsgemässe Leitplanken-Vorrichtung, gemäss den unabhängigen Patentansprüchen. Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen gegeben. Darstellung der Erfindung
Eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Verstärkung einer Struktur umfasst ein Strukturelement mit mindestens einem Hohlraum, welcher druckdicht verschlossen ist oder verschliess- bar ist, und einem Druckgenerator, mit welchem vorübergehend oder kontinuierlich ein Überdruck innerhalb des mindestens einen Hohlraums des Strukturelements erzeugbar ist. Vorteilhaft besteht das Strukturelement der Vorrichtung aus zwei oder mehr Blechelementen, die entlang mindestens eines Teils ihrer Konturen zusammengefügt sind, beispielsweise durch Schweissen oder Kleben, so dass sich der mindestens eine Hohlraum bildet.
In einer Variante einer solchen Vorrichtung kann das Strukturelement durch Aufblasen des geschlossenen Hohlraums vorgeformt sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung ist der Druckgenerator eine chemische Treibladung.
Der mindestens eine Hohlraum des Strukturelements einer erfindungsgemässen Vorrichtung kann eine Sollbruchstelle oder ein Überdruckventil aufweisen.
Eine andere vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Struk- turverstärkung weist eine Steuervorrichtung auf, mit der Zustände innerhalb und/oder aus- serhalb der Vorrichtung messbar sind, und mit welcher der Druckgenerator ansteuerbar ist. Bevorzugt ist die Steuervorrichtung mit einer externen Steuereinrichtung verbindbar.
Der Hohlraum des Strukturelements der erfindungsgemässen Vorrichtung kann mit einem geschäumten Material ausgefüllt sein, insbesondere Polyurethanschaum, Schaumbeton, oder Aluminiumschaum. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung umfasst mindestens ein Begrenzungselement, das mit mindestens einem der Blechelemente des Strukturelements form- und/oder kraftschlüssig verbunden ist. Dieses Begrenzungselement ist geeignet, bei einem Aufblasen des Strukturelements zu einer dreidimensionalen Leitplan- ken-Vorrichtung die Umformung eines oder mehrerer der Blechelemente in vorbestimmter Weise zu begrenzen. Ein Begrenzungselement kann innerhalb eines Hohlraums des Strukturelements angeordnet sein. Ein Begrenzungselement kann auch ein auf einem Blechelement angeordneter Steg oder eine auf einem Blechelement angebrachte Sicke sein.
Eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Verstärkung einer Struktur kann eine erfindungs- gemässe Leitplanken-Vorrichtung beinhalten.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung ist in einer Fahrzeugkarosserie angeordnet, insbesondere in einer Fahrzeugtüre, einer Fahrzeugsäule, oder dem Dach, oder einer Leitplanken-Vorrichtung.
Eine erfindungsgemässe Leitplanken-Vorrichtung umfasst ein Strukturelement mit zwei oder mehr Blechelementen, die entlang mindestens eines Teils ihrer Konturen zusammengefügt sind, beispielsweise durch Schweissen oder Kleben, so dass sich mindestens ein Hohlraum bildet, welcher druckdicht verschlossen ist oder verschliessbar ist. Das Strukturelement ist durch Aufblasen des mindestens einen Hohlraums des Strukturelements umgeformt
Aufgrund seiner vorteilhaften Leichtbau-Konstruktion weist eine erfindungsgemässe Leit- planken-Vorrichtung bei gleichem Gewicht pro Laufmeter eine verbesserte mechanische Festigkeit auf. Aufgrund der dreidimensionalen Struktur absorbiert zudem eine erfindungsgemässe Leitplanken-Vorrichtung bei einem Anprall beispielsweise eines Fahrzeugs einen Teil der kinetischen Energie, und kann so zu einer verbesserten Unfallsicherheit beitragen. Bei einem entsprechend ausgestalteten Halbfabrikat kann die Leitplanken-Vorrichtung auch vor Ort, also beispielsweise auf der Strassenbaustelle, aus dem Halbfabrikat ab Rolle hergestellt werden.
Bei einer Variante einer erfindungsgemässen Leitplanken-Vorrichtung erstreckt sich der min- destens eine Hohlraum entlang einer Längsachse des Strukturelements.
In einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemässen Leitplanken-Vorrichtung ist ein Anschluss für die Zuleitung eines Druckmediums in den mindestens einen Hohlraum vorgesehen.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemässen Leitplanken- Vorrichtung weist mindestens ein Begrenzungselement auf, das mit mindestens einem der
Blechelemente form- und/oder kraftschlüssig verbunden ist. Das Begrenzungselement ist geeignet, bei einem Aufblasen des Strukturelements die Umformung eines oder mehrerer der Blechelemente in vorbestimmter Weise zu begrenzen. Ein Begrenzungselement innerhalb eines Hohlraums angeordnet sein. Ein Begrenzungselement kann auch ein auf einem Blech- element angeordneter Steg oder eine auf einem Blechelement angebrachte Sicke sein.
Der mindestens eine Hohlraum einer erfindungsgemässen Leitplanken-Vorrichtung kann mit einem geschäumten Material ausgefüllt sein, insbesondere mit Polyurethanschaum, Schaumbeton, oder Aluminiumschaum.
In einer besonders vorteilhaften Variante einer erfindungsgemässen Leitplanken-Vorrichtung ist ein Druckgenerator vorgesehen, mit welchem vorübergehend oder kontinuierlich ein Überdruck innerhalb eines geschlossenen Hohlraums des Strukturelements erzeugbar ist. Der Druckgenerator kann beispielsweise eine chemische Treibladung sein. Bei einer solchen vorteilhaften Ausführungsform verbleibt die Leitplanken-Vorrichtung dauerhaft unter Überdruck, oder wird bei einem Anprall kurzfristig unter Überdruck gesetzt, um die mechanische Stabilität noch zusätzlich zu erhöhen.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform einer solchen Leitplanken- Vorrichtung ist eine Steuervorrichtung vorgesehen, mit welcher Zustände innerhalb und/oder ausserhalb der Leitplanken-Vorrichtung messbar sind, und mit welcher der Druckgenerator ansteuerbar ist. Die Steuervorrichtung kann mit einer externen Steuereinrichtung verbindbar ausgestaltet ein.
In einer Variante einer erfindungsgemässen Leitplanken-Vorrichtung ist in einem Hohlraum des Strukturelements eine Sollbruchstelle oder ein Überdruckventil vorgesehen.
Eine erfindungsgemässe Leitplanken-Vorrichtung kann auch eine zusätzliche Aufprallschürze zum Schutz des mindestens einen Hohlraums des Strukturelements aufweisen.
Vorzugsweise umfasst eine erfindungsgemässe Leitplanken-Vorrichtung eine erfindungsge- mäss Vorrichtung zur Strukturverstärkung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnungen Bezug genommen. Diese zeigen lediglich Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstands.
Figur 1 zeigt ein Beispiel einer herkömmlichen Leitplanken-Vorrichtung in perspektivischer Ansicht.
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Leitplanken- Vorrichtung in perspektivischer Ansicht.
Figur 3 zeigt ein Halbfabrikat (a) in Aufsicht und (b) in einem Querschnitt entlang der Linie A-A.
Figur 4 zeigt ein anderes Beispiel einer erfindungsgemässen Leitplanken-Vorrichtung in perspektivischer Ansicht.
Figur 5 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Strukturverstärkung, eingesetzt in einer Fahrzeugtüre, (a) in einer Seitenansieht, (b) in einem Querschnitt, und (c) in einem Querschnitt nach dem Aufprall eines Fahrzeugs.
Ausführung der Erfindung
Eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemässen Leitplanken-Vorrichtung 1 ist dargestellt in Figur 2 in einem Ausschnitt aus dem längeren Leitplanken-Vorrichtung. Die Leitplanken-Vorrichtung 1 umfasst ein Strukturelement 61 mit zwei Blechelementen 2, 2', welche entlang dreier paralleler Verbindungssäume 14, 14' miteinander dichtend verbunden sind, beispielsweise durch Schweissen, Kleben oder andere geeignete Verbindungstechniken, so dass sich ein druckdichter bzw. druckdicht verschliessbarer Hohlraum 13 bildet.
Durch freie Innendruck-Umformung wurden die ursprünglich planparallelen Blechelemente 2, 2' eines Halbfabrikats aufgeblasen, resultierend in der dargestellten gewölbten, dreidi- mensionalen Struktur des Strukturelements 61 , mit zwei Hohlräumen 13 entlang der Längsachse 16. Die Leitplanken-Vorrichtung 1 ist mit Befestigungselementen 1 5, beispielsweise Schrauben, an den Verbindungssäumen 14, 14' an einem hinter der Leitplanke angeordneten vertikalen Träger 17 befestigt. Anstatt zweier Hohlräume sind auch Ausführungsformen mit nur einem Hohlraum möglich, wie beispielsweise in Figur 4 gezeigt, bzw. drei oder mehr Hohlräumen.
Ein Halbfabrikat 1 1 zur Herstellung eines Struktureiements einer erfindungsgemässen Leitplanken-Vorrichtung oder auch einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Verstärkung einer Struktur ist beispielsweise in Figur 3 dargestellt. So zeigt Figur 3(a) einen Ausschnitt aus einem aus zwei Blechelementen 2, 2 ' bestehenden Halbfabrikat 1 1 , und Figur 3(b) zeigt einen Querschnitt durch das Halbfabrikat 1 1 entlang der Linie A-A.
Die Herstellung des Halbfabrikats 1 1 erfolgt vorzugsweise in einem Endlosverfahren. Dazu werden beispielsweise zwei Blechstreifen ab Rolle übereinander gelegt, und mittels Laser- schweissen miteinander verbunden. Entsprechende Anlagen sind dem Fachmann aus der industriellen Praxis bekannt. Um die äusseren 14 und inneren 14' Verbindungssäume zu bilden, müssen die beiden Bleche 2, 2' nicht flächig miteinander verbunden werden. Es ist dazu ausreichend, wenn pro Verbindungsaum 14, 14' eine Schweissnaht 18 angebracht wird. Aus Stabilitätsgründen werden jedoch vorzugsweise pro Verbindungsaum mehrere parallele Schweissnähte 18 angebracht Um das Aufblasen und Umformen des Halbfabri- kats 1 1 zu ermöglichen, müssen die Schweissnähte 18 druckdicht sein.
Alternativ können die Bleche 2, 2' im Bereich der Verbindungssäume 14, 14' auch flächig miteinander verklebt werden. Ebenso ist es möglich, in einem inneren Bereich des Verbindungssaums einen Dichtstreifen, beispielsweise aus einem Elastomer, anzuordnen, und die Blechelemente an den Rändern des Verbindungssaums durch Punktschweissen, Nieten oder Schrauben miteinander zu verbinden.
Nach dem Zusammenfügen der einzelnen Bestandteile werden die einzelnen Halbfabrikate 1 1 von Endlostrang abgelängt. Durch Einleiten eines Druckmediums in den Hohlraum wird das Halbfabrikat in die dreidimensionale Endstruktur umgeformt. Dies kann auch erst am Einbauort geschehen, was eine platzsparende Lagerung und einen effizienten Transport der noch flachen Halbfabrikate ermöglicht. Alternativ ist es auch möglich, das endlose Halbfabrikat 1 1 aufzurollen oder sonst wie platzsparend zu lagern und dieses erst am Montageort, beispielsweise auf der Baustelle, abzulängen. Die Halbfabrikate können auch gefaltet oder geknickt werden, so dass sie platzsparend transportierbar sind.
Um das Halbfabrikat 1 1 durch Aufblasen zum Strukturelement 61 einer Leitplanken- Vorrichtung 1 umzuformen, müssen die zukünftigen Hohlräume 13 zwischen den beiden Blechelementen 2, 2' druckdicht geschlossen sein. Entlang der Längsachse 16 erfolgt dieser druckdichte Abschluss durch die Schweissnähte 18 der Verbindungssäume 14, 14'. An den beiden Längsenden einer erfindungsgemässen Leitplanken-Vorrichtung können ebenfalls Schweissnähte angebracht werden, oder die einzelnen Halbfabrikate werden temporär ver- schlössen, beispielsweise durch hydraulische Klemmen oder Abschlussdeckel, oder andere geeignete Mittel.
Bei der Freier-Innendruck-Umformung des Halbfabrikats durch Aufblasen zur dreidimensionalen Blechstruktur wird innerhalb des Hohlraums 13 gegenüber der Süsseren Umgebung ein Überdruck erzeugt, beispielsweise durch Einleiten von Druckluft oder Befüllen mit Wasser oder einem anderen hydraulischen Wirkmedium. Der Begriff Aufblasen ist synonym zum Begriff Umformen zu verstehen. Der notwendige Überdruck im Hohlraum 13 beträgt je nach Fall zwischen 50 kPa (0.5 bar) und 1 MPa (10 bar). Dies stellt wesentlich geringere Anforderungen an die technische Infrastruktur. Beim in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel eines Halbfabrikats ist an einem der Blechelemente für jeden Hohlkörper ein Anschluss 12 für ein Druckmedium angeordnet.
Die ursprünglich im wesentlichen flachen Blechelemente 2, 2' werden durch den erhöhten Innendruck plastisch verformt und in einem gewissen Mass auch elastisch gedehnt, wobei die Umformung „frei" ist, also nicht durch eine Matrize oder einen Stempel vorgegeben ist. Die Art der Umformung ist durch die Wahl der Kontur 21 und der topologischen Verbindung 18 der Blechelemente, die spezifischen Materialeigenschaften des Blechs wie Elastizitätsmodul, Blechdicke, Walzrichtung, sowie die Prozessparameter wie angewandter Arbeitsdruck und Umformzeit bestimmt. Aufgrund der plastischen Verformung kommt es dabei zu einer Verschiebung der Konturen. Beim Ausblasen der Halbfabrikate werden diese also in der Ebene der Konturen schmaler, was bei der Wahl der Konturierung berücksichtigt werden muss. Nicht notwendig ist wie bereits erläutert die Verwendung einer Matrize oder eines anderen formgebenden Werkzeugs. Jedoch können äussere Mittel zur Beeinflussung der Freier-Innendruck-Umformung verwendet werden.
Nach dem Erreichen des Sollzustands der dreidimensionalen Blechstruktur der Leitplanken- Vorrichtung wird der Druck wieder abgesenkt, wobei aufgrund der plastischen Verformung des Blechs die Formgebung stabil bleibt. Eine gewisse reversible elastische Verformung muss dabei bei der Festlegung der Prozessparameter und der Konturgebung berücksichtigt werden. Es kann auch ein erhöhter Innendruck verbleiben, um beispielsweise die Leitplanken- Vorrichtung zusätzlich mechanisch zu stabilisieren.
In einer vorteilhaften Variante weist das Halbfabrikats mindestens ein Begrenzungselement auf, dass mit mindestens einem der Blechelemente des Halbfabrikats form- und/oder kraftschlüssig verbunden ist. Das mindestens eine Begrenzungselement ist dabei geeignet, bei einem Aufblasen des Halbfabrikats zu einer dreidimensionalen Leitplankeή-Vorrichtung die Umformung eines oder mehrerer der Blechelemente in vorbestimmter Weise zu begrenzen. Vorzugsweise ist das mindestens eine Begrenzungselement innerhalb eines Hohlraums angeordnet. In einer möglichen Variante ist ein Begrenzungselement zwischen zwei Blecheie- menten angeordnet und an diesen form- und/oder kraftschlüssig befestigt. Weiter kann ein Begrenzungselement auch ein auf einem Blechelement angeordneter Steg oder eine auf einem Blechelement angebrachte Sicke sein.
Der Vorteil bei der Verwendung von Druckluft als Druckmedium ist die leichte Handhabbarkeit. Hingegen sind Gase bei höheren Drücken aufgrund ihrer Kompressibilität weniger effizient, dass heisst, der notwendige Druck wird weniger schnell erreicht, und es tritt eine Temperaturerhöhung auf, die wiederum wegen der Materialausdehnung einen Einfluss auf die Blechstruktur hat. Bei der Verwendung von hydraulischen Flüssigkeiten (Wasser, Öl, Wasser- Öl-Emulsionen) tritt dieses Problem nicht auf, und die Temperatur der Blechstruktur ist über das Druckmedium einstellbar. Hingegen stellt sich hier das Problem, die hydraulische Flüssigkeit anschliessend wieder aus der Blechstruktur zu entfernen, was aufwendiger ist als bei gasförmigen Druckmedien.
Anstatt der Verwendung von Druckluft oder pneumatischen Flüssigkeiten können auch an- dere Methoden verwendet werden, um den Innendruck zu erhöhen. Beispielsweise können chemische Reaktionen angewandt werden, die ein bestimmtes Volumen an Gas produzieren. Auf diese Weise lässt sich zum Beispiel ein vollständig geschlossenes Halbfabrikat realisieren, in das eine bestimmte Menge an geeigneten chemischen Edukten eingebracht wird. Nach Auslösen der Reaktion, beispielsweise durch eine lokale Erhöhung der Temperatur über einen bestimmten Schwellwert, tritt die Reaktion in Gang, das Gas wird produziert, und bläst die Blechstruktur wie gewünscht auf. Ebenso ist es möglich, für die Innendruckerhö- hung ausschäumende Materialien zu verwenden, wie bspw. Polyurethanschaum, Schaumbeton oder Aluminiumschaum, die anschliessend im Hohlraum der Blechstruktur verbleiben.
Es ist auch möglich, eine erfindungsgemässe Leitplanken-Vorrichtung mit dauerhaft abge- schlossenen Hohlräumen auszustatten. Bei einer solchen Variante kann beispielsweise der mindestens eine Hohlraum der Leitplanken-Vorrichtung vorübergehend oder kontinuierlich unter einem gewissen Überdruck gehalten werden. Zu diesem Zweck kann ein Druckgenerator vorgesehenen sein, welcher ausserhalb oder innerhalb der Leitplanken-Vorrichtung angeordnet ist. Ein Überdruck innerhalb des Hohlraums führt zu einer mechanischen Stabilisie- rung der Leitplanke. Eine solche erfindungsgemässe Leitplanken-Vorrichtung entspricht dann auch einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Verstärkung einer Struktur, in diesem Fall der Struktur einer Leitplanke.
Unabhängig davon, ob der Hohlraum gegenüber der Umgebung einen Überdruck aufweist, weist ein geschlossener Hohlraum die Eigenschaft auf, dass bei einem heftigen Anprall eines Fahrzeugs die Luft innerhalb des Hohlraums komprimiert wird, was zu einer zusätzlichen Absorption von kinetischer Energie führt. Eine solche erfindungsgemässe Leitplanken- Vorrichtung wirkt also auch in der Art und Weise eines Airbags.
Für die Erzeugung eines kontinuierlichen Überdrucks kann als Druckgenerator beispielsweise ein Druckluftkompressor eingesetzt werden. Soll nur temporär ein Überdruck erzeugt werden, beispielsweise bei einem Anprall eines Fahrzeugs, ist der Druckgenerator vorzugsweise als chemische Treibladung ausgestaltet, welche zu einem geeigneten Zeitpunkt gezündet die Leitplanken-Vorrichtung in sehr kurzer Zeit unter Überdruck setzt. Auf diese Weise kann für einen kurzen Zeitraum die mechanische Stabilität einer erfindungsgemässen Leitplanken- Vorrichtung erheblich verstärkt werden. Eine solche Leitplanken-Vorrichtung kann auch mit einer Sollbruchstelle ausgerüstet sein, um den Überdruck nach dem Auslösen des Druckgenerators wieder kontrolliert abzubauen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform einer solchen erfindungsgemässen Leitplanken-Vorrichtung ist eine Steuervorrichtung zur Ansteuerung des Druckgenerators vorgesehen. Mit der genannten Steuervorrichtung sind Zustände innerhalb und/oder ausserhalb der Leitplanken-Vorrichtung messbar, beispielsweise der Innen- und/oder Aussendruck, oder ein Anprall eines massiven Objekts wie beispielsweise eines Fahrzeugs. Letzterer kann beispielsweise durch eine Druckspitze innerhalb des geschlossenen Hohlraums, oder durch die auftretende Erschütterung detektiert werden. Eine Steuervorrichtung kann auch mit anderen Steuervorrichtungen, beispielsweise von benachbarten Leitplankenelementen, oder mit einer zentralen Steuervorrichtung, verbunden werden. Auf diese Weise kann zum Beispiel ein Anprall auf ein Leitplankenelement an eine zentrale Verkehrsleitzentrale gemeldet werden. Ein solches Netzwerk kann beispielsweise als drahtgebundener Datenbus oder als drahtloses Funknetzwerk aufgebaut sein.
Eine Ausführungsform einer solchen erfindungsgemässen Leitplanken-Vorrichtung ist bei- spielsweise in Figur 4 dargestellt. Die gezeigte Leitplanken-Vorrichtung 1 bzw. Struktur- Verstärkungsvorrichtung 6 besteht aus zwei Blechelementen 2, 2 ', welche entlang ihrer Längsränder mit zwei Verbindungssäumen 14 druckdicht verbunden ist. Ebenfalls ist sind die zwei Längsenden (nicht gezeigt) der Leitplanken-Vorrichtung 1 druckdicht abgeschlossen. Innerhalb des dadurch gebildeten geschlossenen Hohlraums 13 ist ein Druckgenerator in Form einer elektrisch zündbaren Treibladung 4 angebracht. Ebenfalls im Hohlraum angebracht ist eine Steuervorrichtung 5, mit welcher ein Anprall auf das Leitplankenelement de- tektierbar 51 und die chemische Treibladung 4 auslösbar ist. Die Steuervorrichtung 5 kann auch ausserhalb der Leitplanken-Vorrichtung angeordnet werden, wobei in diesem Fall separate Sensoren 51 in der Leitplanke angeordnet werden können,
Zum zusätzlichen Schutz des mindestens einen Hohlraums 13 einer erfindungsgemässen Leitplanken-Vorrichtung, beispielsweise beim Anprall eines Fahrzeugs, kann eine zusätzliche Aufprallschürze vorgesehen sein. Diese kann beispielsweise die Form eines weiteren Bleches haben, welches auf dem einem Träger 17 abgewandten Blechelement 2 ' angebracht ist.
Eine andere mögliche Ausführungsform einer Vorrichtung 6 zur Verstärkung einer Struktur 7 ist in Figur 5 dargestellt, an Beispiel einer Fahrzeugtüre. Die Vorrichtung weist zwei aus zwei Blechlagen geformte, im Wesentlichen abgeschlossene Hohlkörper 13 auf, welche durch einen umlaufenden Saum und einen dazwischen liegenden Saum verbunden sind. Die beiden Hohlkörper bilden zwei Strukturelemente 61 zur Verstärkung der Fahrzeugtür-Struktur 7.
Die Vorrichtung 6 ist im gezeigten Beispiel im Inneren eines hohlen Gehäuses der Türe 7 angeordnet, in einer Lage, der einer durchschnittlich zu erwartenden Höhe einer Front eines kollidierenden Fahrzeugs 8 entspricht, jenem Bereich also, der bei einer Kollision besonders verstärkt werden soll, um den neben der Türe sitzenden Fahrzeuginsassen zu schützen. Im Inneren der beiden Hohlkörper ist jeweils ein Druckgenerator 4 angeordnet. Dieser umfasst vorzugsweise eine chemische Treibladung. Die beiden Druckgeneratoren 4 sind mit einer Steuervorrichtung 5 verbunden, welche die Druckgeneratoren elektrisch auslösen kann. Die genannte Steuervorrichtung weist zwei externe Sensoren 51 auf, welche an der Aussen liegenden Seite der Fahrzeugtüre 7 angeordnet sind. Geeignete Sensoren 51 sind beispielsweise Kraftsensoren oder Beschleunigungssensoren, oder andere geeignete Mittel, welche eine Verformung der Türstruktur 7 schnell wahrnehmen können. Es ist auch möglich, im Inneren der Hohlkörper 13 Drucksensoren vorzusehen, welche eine schnelle Druckerhöhung auf- grund einer Verformung eines Strukturelements 61 bei einer Kollision detektieren können. Trifft nun wie in Figur 5(b) dargestellt ein schweres Objekt 8 auf die Tür 7, so verformt sich die Aussenseite der Tür 7. Dies wird von den Sensoren 51 detektiert und an die Steuervorrichtung 5 weitergeleitet. Aufgrund der eingehenden Messwerte klassifiziert die Steuervorrichtung das Kollisionsereignis, und entscheidet ob die Druckgeneratoren auszulösen sind oder nicht. Gegebenenfalls kann nur ein Druckgenerator ausgelöst werden, oder die beiden Druckgeneratoren werden mit Verzögerung gezündet. Auf diese Weise kann von der Steuervorrichtung die optimale Reaktion auf das Ereignis gewählt werden. So wird bei einer langsamen Kollision, bei ein Fahrzeuginsasse nicht gefährdet ist, ein unnötiges, irreversibles Auslösen der Druckgeneratoren vermieden. In einer vorteilhaften Variante tauscht die Steuervor- richtung 5 Informationen mit einer mit der Steuervorrichtung verbundenen externen Steuereinrichtung aus, beispielsweise einer Steuereinheit für ein Airbag-System, um ein Kollisionsereignis besser einordnen zu können.
Bei einer schweren Kollision 8 werden beide Druckgeneratoren 4 ausgelöst. Als Folge davon werden durch den in den Hohlräumen 13 der Strukturelemente 61 entstehenden Überdruck die Strukturelemente 61 aufgeblasen, wie in Figur 5(c) dargestellt. Die Strukturelemente 61 versteifen sich, wodurch sich die Biegefestigkeit entlang der Längsachse 16 um ein Vielfaches erhöht. Die Türenstruktur 7 als ganzes wird dadurch soweit verstärkt, dass die Tür nur noch beschränkt verformt wird. Die kinetische Energie des aufprallenden Objekts 8 wird dadurch auf die gesamte Fahrzeugstruktur übertragen, und nicht auf die Tür alleine und eine dahinter sitzende Person. Zusätzlich führt eine Stauchung des aufgeblasenen Strukturelements durch das Objekt 8 zu einer Kompression des Gases innerhalb des Hohlraums, wodurch ein Teil der kinetischen Energie des Objekts in thermische Energie umgewandelt wird.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann in der dargestellten Ausführungsform nur einmal verwendet werden. Durch das schockartige Aufblasen der Strukturelemente 61 kann die Tür sowie die im Gehäuse der Tür vorhandenen Einrichtungen beschädigt werden, so dass die Türe gegebenenfalls ersetzt werden muss. Da eine Türe 7 ohne Vorrichtung 6 jedoch ohnehin genauso irreparabel beschädigt würde, stellt ein Austauschen der Tür 7 mit Vorrichtung 6 kein Problem dar.
Die Verstärkung einer Struktur 7 durch eine erfindungsgemässe Vorrichtung kann auch nur vorübergehend sein. So kann es im in Figur 5 gezeigten Beispiel ausreichend sein, wenn die Versteifung nur für Sekunden oder Sekundenbruchteile anhält. Der Überdruck kann darum höher sein als die Festigkeit der Strukturelementes 61 im Dauerbetrieb aushalten kann, solange sichergestellt ist, dass der Druck anschliessend rasch und kontrolliert absinken kann. Zu diesem Zweck können die Hohlräume 13 mit kleinen Öffnungen versehen sein, welche zu klein sind, um bei der Auslösung der Druckgeneratoren den Druckanstieg zu verlangsamen, jedoch anschliessend ein kontinuierliches Entlüften ermöglichen. Zusätzlich oder als Alternative können auch Überdruckventile vorgesehen sein, oder Sollbruchstellen, die durch den Überdruck bersten.
Im in Figur 5 gezeigten Beispiel umfasst die vorπcntung b eine dünnwandige, aufblasbare Blechstruktur, bestehend aus zwei miteinander verbundenen Blechschichten. Alternativ können auch andere Materialien verwendet werden, beispielsweise zähe Polymermaterialien oder Strukturen aus Komposit-Materialien.
Anstatt aufblasbarer Strukturelemente können auch bereits geformte Hohlteile verwendet werden, welche auch schon um Grundzustand eine bestimmte Grundfestigkeit bieten, und als Teil der tragenden Struktur ausgelegt werden. Der durch die Druckgeneratoren erzeugte Überdruck führt dann zu einer temporären Versteifung des Hohlteils. Ebenso ist es möglich, Strukturelemente mit einer komplexeren Formgebung zu verwenden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden eine Mehrzahl von erfindungsge- mässen Vorrichtungen zur Strukturverstärkung in einer Fahrzeugkarosserie derart angeord- net, dass im Falle eines Unfalls Teile der Karosseriestruktur gezielt verstärkt werden können. So kann beispielsweise bei einem Überschlag gezielt die Fahrgastzelle gegen eine Verformung stabilisiert werden, indem erfindungsgemässe Vorrichtungen im Dach und/oder den Fahrzeugsäulen versteift werden.
Bezugszeichenliste
1 Leitplanke n Halbfabrikat
12 Druckmedien-Anschluss
13 Hohlraum
14, 14' Verbindungsaum
15 Befestigungselement
16 Längsachse
17 Stütze
18 Schweissnaht
2, 2' Blechelement
21 Kontur
3 Druckmedium
4 Druckgenerator
5 Steuervorrichtung
51 Sensor
6 Vorrichtung zur Strukturverstärkung
61 Strukturelement
7 Struktur, Fahrzeugtüre
8 Aufprallender Gegenstand